1.8 Функции состояния

Внутренняя энергия – некоторая характеристика состояния термодинамической системы. Внутренняя энергия – это сумма кинетической энергии теплового движения атомов и молекул, а также потенциальной энергии сил взаимодействия между атомами и молекулами (принято считать, что в термодинамических процессах внутриатомная и внутриядерная энергия остается неизменной).

Внутренняя энергия обозначается , измеряется в Джоулях, Дж.

Для 1 кг массы газа используют понятие удельная внутренняя энергия:

; .

Изменение внутренней энергии в термодинамическом процессе не зависит от характера процесса, а зависит только от конечного и начального состояния системы:

.

Внутренняя энергия рабочего тела является параметром состояния.

Энтальпия (теплосодержание) – функция состояния термодинамической системы равная сумме внутренней энергии системы и произведению давления p на объем системы V:

, Дж.

По аналогии с приведенными ранее примерами используется удельная энтальпия – это энтальпия, приходящаяся на каждый килограмм массы вещества:

, Дж/кг.

Следовательно, удельная энтальпия, равная сумме удельной внутренней энергии системы и произведению давления p на удельный объем системы :

, Дж/кг.

Изменение энтальпии в термодинамическом процессе описывается следующими выражениями:

Изменение энтальпии в термодинамическом процессе не зависит от характера процесса, а зависит только от конечного и начального состояния системы. Таким образом, энтальпия рабочего тела является параметром состояния.

1.9 Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики представляет собой частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явлениям. Он утверждает тот факт, что энергия не исчезает и не возникает вновь, но лишь переходит из одной формы в другую.

Рассмотрим рабочее тело массой М, которое характеризуется рядом параметров: давлением, объемом, температурой и т. д. При подведении к этому телу некоторого количества теплоты Q увеличивается кинетическая энергия движения микрочастиц, потенциальная энергия сил взаимодействия между ними, а также будет совершаться работа против действия внешних сил. Имеем частный случай закона сохранения энергии, который называется первым законом термодинамики.

Первый закон термодинамики: теплота, подводимая к системе, расходуется на изменение внутренней энергии тела и на совершение работы.

Математически первый закон термодинамики для элементарных изменений описывается следующим выражением:

, (1.1)

где dQ – подводимая к системе теплота, Дж;

dU – изменение внутренней энергии системы, Дж;

dL - работа системы против действия внешних сил, Дж.

Существует аналогичное выражение для удельных величин, отнесенных к единице массы:

. (1.2)

Выражение для термодинамического процесса:

, (1.3)

где q - подводимая в термодинамическом процессе удельная теплота, Дж/кг;

∆u - изменение в термодинамическом процессе удельной внутренней энергии системы, Дж/кг;

l - совершение системой в термодинамическом процессе удельной работы против действия внешних сил, Дж/кг.

Аналогично для выражения (1.1) для системы с массой М получаем, Дж:

. (1.4)

В выражениях (1.1) – (1.4), как алгебраических выражениях, каждый элемент может быть больше нуля, меньше нуля или равен нулю.

Существуют следующие частные случаи первого закона термодинамики:

1. Изобарный процесс. В данном процессе давление не изменяется ,

, .

Теплота, подводимая в изобарном процессе, расходуется на изменение энтальпии.

2. Изохорный процесс. В данном процессе объем не изменяется ,

, , .

Теплота, подводимая к телу в изохорном процессе, расходуется на увеличение внутренней энергии тела.

3. Адиабатный процесс. В данном процессе теплообмен отсутствует

.

.

Работа расширения в адиабатном процессе производиться за счет внутренней энергии системы.

1. Изотермический процесс. Для идеального газа в этом процессе справедливо соотношение: , .

Следовательно:

,

.

Теплота, подведения в изотермическом процессе, превращается во внешнюю работу.